什么是蝴蝶效应_蝴蝶效应和混沌理论

如果你认为蝴蝶效应只是一部由阿什顿·库彻和艾米·斯马特主演的糟糕的2004年电影,请再想想。这部电影只是一个对一个更古老概念的新的看法。

蝴蝶效应的想法是,小的、看似微不足道的事件最终可能会导致更大的后果——换句话说,它们对非常复杂的系统产生非线性影响。例如,当蝴蝶在印度拍打翅膀时,气压的微小变化最终可能会在爱荷华州引发龙卷风。

在上述电影中,Kutcher的角色找到了一种回到童年的方法。每次他踏上这段旅程时,他都会以不同的方式做小事——但这些微小的变化最终会对他的成年生活产生重大(和可怕的)影响。

“蝴蝶效应”一词是由麻省理工学院气象学教授Edward Lorenz在20世纪60年代创造的,他正在研究天气模式。他设计了一个模型,表明如果你比较两个出发点,表明彼此靠近的当前天气,它们很快就会散架——稍后,一个地区可能会出现严重风暴,而另一个地区则平静。

当时,天气统计学家认为,您应该能够根据历史记录预测未来的天气,看看当情况与现在相同时发生了什么。Lorenz持怀疑态度。他正在运行一个计算机程序来测试各种天气模拟,他发现将一个变量从.506127四舍五入到.506极大地改变了他模拟中两个月的天气预报。

他的观点是,远程天气预报几乎是不可能的,这在很大程度上是因为人类没有能力测量自然界令人难以置信的复杂性。简单地说,有太多的微小变量可以作为枢轴点,级联成更大的后果。

正如科学记者Peter Dizikes在《波士顿环球报》上所写的那样:

Lorenz指出,自然界的“无数”相互联系意味着蝴蝶翅膀的扇动可能会导致龙卷风——或者据我们所知,可以阻止龙卷风。同样,如果我们对自然进行哪怕是微小的改变,“如果我们没有打扰它,我们永远不会知道会发生什么”,因为随后的变化太复杂了,太纠缠了,无法恢复以前的状态。”

因此,虽然人们通常认为蝴蝶效应意味着微小的变化可能会产生重大后果(我们可以跟踪这一进展,看看是什么变化导致了什么),但Lorenz试图说我们无法跟踪这些变化。我们真的不知道是什么会导致天气模式从一个方向转移到另一个方向。

Lorenz在1963年一篇题为《确定性非周期性流动》的论文中向公众介绍他的作品时,称这种“对初始条件的敏感依赖”。(他在后来关于该主题的演讲中创造了“蝴蝶效应”一词。)该论文很少被其他研究人员引用——至少在一开始是这样。

蝴蝶效应和混沌理论

后来,其他科学家意识到洛伦茨发现的重要性。他的见解为被称为混沌理论的数学分支奠定了基础,即试图预测本质上不可预测的系统的行为。

您每天都可以看到蝴蝶效应的实例。天气只是一个例子。气候变化是另一回事。因为事实证明,气候变暖正在适当地影响北美的高山蝴蝶物种。

社区生态学家和数据科学家、艾伯塔大学博士后研究员亚历山德罗·菲拉佐拉通过电子邮件发送了电子邮件,预计气候变化会产生一些重大影响,例如对某些物种来说太热或对其他物种来说太干燥,但也会产生几乎无限的较小的间接影响。

“在我们的研究中,我们研究了其中一种间接影响,并看到了未来的气候将如何缓慢导致蝴蝶及其宿主植物的空间位置不匹配。作为毛毛虫,这只蝴蝶只以这种类型的植物物种为食,因此任何范围不匹配都会导致蝴蝶的下降。”

他补充说,如果我们停顿片刻,想想食物网中的所有其他物种,突然之间,许多物种可能会受到影响——而不仅仅是一只小蝴蝶。这是大规模的蝴蝶效应。

例如,以蝴蝶为食的动物和以这些动物为食的动物,或者其他昆虫物种,甚至其他蝴蝶呢?我们的项目得到了很好的控制,因为我们的蝴蝶物种只吃一种植物,但当你考虑整个生态系统时,逻辑就会保持不变(只是更棘手)。

当我们开始考虑一个小变化如何迅速导致许多意想不到的后果时,自然有理由担心。

例如,限制水力发电大坝的建设可能会减少某些类型的环境破坏。但在消除这种潜在的清洁能源时,我们倾向于依靠加速全球变暖的化石燃料。旨在减少我们对化石燃料依赖的生物燃料补贴增加了雨林破坏、淡水浪费和粮食价格上涨,影响了人口中最贫困的部分。

那么,我们怎么可能在生活中做任何事情,而不用担心造成伤害呢?Filazzola以蝴蝶为例。

“更好地了解间接影响可能是试图减轻这些影响的最重要步骤之一。不过,更简单地说,让自然接近其原始状态确实是最重要的,”他说。生态系统非常复杂,单个物种的丢失可能不会产生感知效果,但它可能会对整个系统产生级联效应。例如,将狼重新引入黄石公园增加了海狸的数量,增加了柳树和白杨植物的数量,并为鸟类、郊狼和熊提供了食物等好处。

然后,我们考虑蝴蝶效应如何影响我们的个人生活。地球上有近80亿人,一个人能做出环绕地球的回荡的改变吗?

Filazzola说,他确实想知道他个人行为的间接影响。

他说,我相信我购买的物品、与我互动的人、我说的话都会产生其连锁效应,在社会中波及。这就是为什么努力做一个好人,创造积极的影响很重要。我还想到的一件事是,这些间接影响通常不像我相信许多人想象的那么小和消除。”

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